一种用于红外焦平面阵列的读出电路

本公开涉及红外焦平面阵列，具体涉及一种用于红外焦平面阵列的读出电路。

背景技术：

1、红外技术自发展以来在医疗如早期疫病监测、天文如利用卫星进行远距离探测、监测如森林防火等方面有着广泛的应用。红外焦平面阵列(infrared focal plane array，irfpa)，包括红外探测阵列和读出电路阵列。红外探测阵列将探测的红外光信号转换为电流信号，通过铟柱流进读出电路阵列，通过对电流信号进行积分处理以及模数转换处理输出模拟信号，进而还原目标物体自身具备的信息。

2、读出电路的电荷存储容量极大程度上决定电路性能好坏，而读出电路的性能决定整个红外探测系统性能。目前的红外焦平面阵列的读出电路的电荷存储容量还有待于提高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提供了一种用于红外焦平面阵列的读出电路，以期至少部分解决以上存在的技术问题。

2、根据本公开的一个方面，提供了一种用于红外焦平面阵列的读出电路，红外焦平面阵列包括多个阵列排布的像素单元，每一像素单元用于在曝光阶段感测红外光并输出光电流，该读出电路包括：积分放大模块，与至少一个像素单元连接，积分放大模块用于在曝光阶段，接收光电流，并对光电流进行n次积分处理，以完成至少n-1个积分周期，每一积分周期对应生成一个脉冲，n为大于1的整数；积分控制模块，与积分放大模块连接，用于控制积分放大模块在曝光阶段对光电流依次进行n次积分处理，并将积分放大模块进行n次积分处理所生成的脉冲输出为模拟信号。

3、根据本公开的实施例，积分控制模块被配置为：在积分周期内输出第一控制信号，在积分周期结束时刻输出第二控制信号，积分放大模块响应于第二控制信号进行复位并输出复位信号，积分控制模块响应于复位信号输出第一控制信号，以使积分放大模块进入下一个积分周期。

4、根据本公开的实施例，积分控制模块包括：第一控制单元，第一控制单元用于在积分周期内输出第一控制信号，在积分周期结束时刻输出第二控制信号，并响应于复位信号输出第一控制信号，第一控制单元还用于将积分放大模块在至少n-1个积分周期内生成的脉冲输出为第一模拟信号；第二控制单元，用于采集积分放大模块进行第n次积分处理所生成的脉冲，并输出为第二模拟信号，第一模拟信号与第二模拟信号构成模拟信号。

5、根据本公开的实施例，积分放大模块包括：放大器，放大器的第一输入端接收第一参考电压，放大器的第二输入端接收光电流，并对光电流进行积分处理，输出电信号；积分电容，连接于放大器的第二输入端以及输出端；复位开关，连接于积分电容的两端，复位开关被配置为：响应于第一控制信号断开，以使积分电容在积分周期内进行充电，还响应于第二控制信号闭合，以使放大器输出复位信号，积分控制模块响应于复位信号输出第一控制信号。

6、根据本公开的实施例，第一控制单元包括：比较器，比较器的第一输入端与放大器的输出端连接，用于接收电信号，比较器的第二输入端接收第二参考电压，第二参考电压小于第一参考电压，比较器用于对电信号以及第二参考电压进行比较后输出第一信号；整形电路，整形电路的输入端与比较器的输出端连接，接收第一信号，并对第一信号进行整形后输出第一控制信号或第二控制信号；逻辑电路，与整形电路的输出端连接，逻辑电路的第一输入端接收第一外部信号，第二输入端接收第一控制信号或第二控制信号，逻辑电路基于符合预设逻辑电平的第一外部信号和第一控制信号控制复位开关断开，基于符合预设逻辑电平的第一外部信号和第二控制信号控制复位开关闭合；计数器，与整形电路连接，用于对积分放大模块在曝光阶段完成的积分周期个数进行计数，并将积分放大模块在对应个数的积分周期内生成的脉冲转换为第一模拟信号。

7、根据本公开的实施例，比较器被配置为：对放大器输出的电信号以及第二参考电压进行比较，若电信号大于第二参考电压，则输出的第一信号具有第一逻辑电平，若电信号不大于第二参考电压，则输出的第一信号跳转为第二逻辑电平，计数器响应于第一信号由第一逻辑电平跳转为第二逻辑电平的时刻进行一次计数。

8、根据本公开的实施例，整形电路响应于比较器输出的具有第一逻辑电平的第一信号输出第一控制信号，响应于比较器输出的具有第二逻辑电平的第一信号输出第二控制信号，以及，在曝光阶段，放大器响应于复位开关的闭合，输出复位信号，复位信号大于第二参考电压。

9、根据本公开的实施例，积分放大模块执行的前n-1次积分处理中，每一次积分处理对应为1个积分周期，第n次积分处理对应的积分周期小于1，第二控制单元连接于放大器的输出端，接收放大器在第n次积分处理中输出的电信号，并输出为第二模拟信号。

10、根据本公开的实施例，积分放大模块被配置为：在曝光阶段结束后进行复位阶段，在曝光阶段，对光电流进行积分处理，在复位阶段，输出复位信号，第二控制单元包括：源极跟随器，源极跟随器的输入端连接于放大器的输出端，用于第n次积分处理中接收电信号，以及在复位阶段接收复位信号；选通开关，连接于源极跟随器的源端，选通开关响应于具有第三预设逻辑电平的第二外部信号导通，以传输电信号以及复位信号，其中，第二外部信号的逻辑电平至少在第n次积分处理开始时刻跳变为第三预设逻辑电平；数字处理电路，数字处理电路与选通开关连接，依次接收经由选通开关传输的电信号以及复位信号，并基于电信号以及复位信号的差值，输出第二模拟信号。

11、根据本公开的实施例，数字处理电路包括：相关双取样单元，相关双取样单元用于分别采集电信号以及复位信号并作差，得到差值信号；可编程增益放大器，用于对差值信号进行放大处理，生成差值放大信号；电平位移器，用于对差值放大信号进行处理生成第一处理信号；模数转换器，对第一处理信号进行模数转换，输出第二模拟信号。

12、根据本公开的实施例，第一模拟信号为2比特数字信号，第二模拟信号为12比特数字信号。

13、本公开提供了一种用于红外焦平面阵列的读出电路，其至少具有以下有益效果：

14、本公开实施例中，通过积分控制模块，使积分放大模块在曝光阶段进行n次积分处理，n次积分处理至少包含n-1个积分周期，每一积分周期对应生成1个脉冲。也就是说，在n次积分处理中，至少前n-1次积分处理为完整的积分周期，每积满1个积分周期，生成1个脉冲。如此，使得积分放大模块在曝光阶段至少能够生成n-1个脉冲，进而能够增大在曝光阶段积累的脉冲，大大提高电荷存储容量，进而能够增大读出电路的电路动态范围，使得基于积分控制模块输出的模拟信号进行仿真的结果的非线性度降低。

15、此外，积分控制模块用于将积分放大模块进行n次积分处理生成的脉冲输出为模拟信号。即，能够将每一次积分处理生成的脉冲对应输出为模拟信号。也就是说，即使第n次积分处理的积分周期不是一个完整的周期，积分控制模块也能将第n次积分处理所产生的余差信号转化为模拟信号，进一步增大了读出电路的电路动态范围。

技术特征：

1.一种用于红外焦平面阵列的读出电路，所述红外焦平面阵列包括多个阵列排布的像素单元，每一所述像素单元用于在曝光阶段感测红外光并输出光电流，其特征在于，该读出电路包括：

2.根据权利要求1所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述积分控制模块被配置为：在所述积分周期内输出第一控制信号，在所述积分周期结束时刻输出第二控制信号，所述积分放大模块响应于所述第二控制信号进行复位并输出复位信号，所述积分控制模块响应于所述复位信号输出所述第一控制信号，以使所述积分放大模块进入下一个所述积分周期。

3.根据权利要求2所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述积分控制模块包括：

4.根据权利要求3所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述积分放大模块包括：

5.根据权利要求4所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述第一控制单元包括：

6.根据权利要求5所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述比较器被配置为：对所述放大器输出的电信号以及所述第二参考电压进行比较，若所述电信号大于所述第二参考电压，则输出的所述第一信号具有第一逻辑电平，若所述电信号不大于所述第二参考电压，则输出的所述第一信号跳转为第二逻辑电平，所述计数器响应于所述第一信号由所述第一逻辑电平跳转为所述第二逻辑电平的时刻进行一次计数。

7.根据权利要求6所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述整形电路响应于所述比较器输出的具有第一逻辑电平的第一信号输出所述第一控制信号，响应于所述比较器输出的具有第二逻辑电平的第一信号输出所述第二控制信号，以及，

8.根据权利要求4所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述积分放大模块执行的前n-1次积分处理中，每一次积分处理对应为1个所述积分周期，第n次积分处理对应的所述积分周期小于1，所述第二控制单元连接于所述放大器的输出端，接收所述放大器在第n次积分处理中输出的电信号，并输出为所述第二模拟信号。

9.根据权利要求8所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述积分放大模块被配置为：在所述曝光阶段结束后进行复位阶段，在所述曝光阶段，对所述光电流进行积分处理，在复位阶段，输出所述复位信号，所述第二控制单元包括：

10.根据权利要求9所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述数字处理电路包括：

11.根据权利要求9或10所述的用于红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，所述第一模拟信号为2比特数字信号，所述第二模拟信号为12比特数字信号。

技术总结
本公开提供一种用于红外焦平面阵列的读出电路，涉及红外焦平面阵列技术领域。红外焦平面阵列包括多个阵列排布的像素单元，每一像素单元用于在曝光阶段感测红外光并输出光电流，该读出电路包括：积分放大模块，与至少一个像素单元连接，积分放大模块用于在曝光阶段，接收光电流，并对光电流进行N次积分处理，以完成至少N‑1个积分周期，每一积分周期对应生成一个脉冲，N为大于1的整数；积分控制模块，与积分放大模块连接，用于控制积分放大模块在曝光阶段对光电流依次进行N次积分处理，并将积分放大模块进行N次积分处理所生成的脉冲输出为模拟信号。

技术研发人员：张起发,刘力源,章宦慧,王哲,窦润江,刘剑,吴南健
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15